[发明专利]一种用金属铜在低温下诱导非晶硅薄膜晶化为多晶硅薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种多晶硅薄膜的制备方法，具体的说就是利用金属铜的催化作用在低温下诱导非晶硅薄膜晶化为多晶硅薄膜的方法。

背景技术

目前制备多晶硅薄膜的方法主要要有:低压化学气相沉积法(LPCVD)、固相晶化法(SPC) 、准分子激光诱导晶化法(ELA)、快速热退火晶化法（RTA）等。

用LPCVD法制备多晶硅成膜致密、均匀, 而且能大面积生产, 但是用这种方法制备时, 所需衬底的温度较高, 且沉积速度较慢, 并不能使用廉价的玻璃为衬底，最重要的是这种方法淀积的多晶硅薄膜所生成的颗粒较小，造成薄膜晶界多，缺陷多，影响后续太阳能电池的效率；

固相晶化法（SPC）虽然工艺设备简单，但是对基板材料的选择限制较大，不太适合在玻璃衬底上制作，而且即便在其他可耐高温的基底材料上淀积多晶硅薄膜也有所需温度太高、耗时过高、耗能大，成本过高的因素制约；

准分子激光晶化法（ELA）首先是用不同能量密度的激光束照射非晶硅表面，使得非晶硅加热熔化，液态非晶硅冷却时发生晶化。这就要求激光能量密度适中，当激光能量密度小于晶化阈值能量密度时非晶硅不发生晶化，而太高时，由于未能形成重结晶的固液界面，薄膜内的液化区温度比熔点高得多，冷却速度过快直接导致多晶硅发生非晶化或微晶化。况且激光诱导晶化法设备复杂，制造成本较高，对于讲求经济效益的工业化生产中显然不是最优选择。

快速退火法(RTA)处理过程使用卤钨灯光加热的方法升温降温。所谓“快速”顾名思义是指升温和降温速度很快，可以再几秒内升温几百度，因此单位时间内温度的变化量是很容易控制的。通过控制升温阶段、稳定阶段和冷却阶段这三个阶段的时间、温度，可以制备不同晶粒尺寸大小的薄膜，但是总的来说，使用RTA退火法制备的多晶硅晶粒尺寸小，晶体内部晶界密度大，材料缺陷密度高，而且属于高温退火方法，不适合于以玻璃为衬底制备多晶硅。

金属诱导晶化 (metal-induced crystallization，MIC) 法是一种低温制备多晶硅薄膜的方法，它主要是利用金属的催化作用来降低非晶硅的成核温度，达到低温下成核的目的。具体来说，就是在非晶硅(a-Si)薄膜的上面蒸镀或者溅射一层金属膜，或者在镀有金属膜的基片上沉积一层非晶硅薄膜，然后将样品进行退火处理来形成多晶硅薄膜的技术。在退火的过程中，通过非晶硅与金属的接触，提高了金属原子与Si 原子的扩散速率，降低了非晶硅的晶化温度、缩短了晶化时间。金属诱导晶化（MIC）法不仅可以使用廉价的玻璃作为衬底，最重要的是，可以制得大晶粒的多晶硅薄膜，降低晶界密度和缺陷密度而且均匀性好。

发明内容

由于使用MIC铝诱导是总有一定量的金属污染的问题，而且为了可以在TFT的应用方面与半导体制造中的新一代技术铜互连结合起来，利用铜的诱导性，本发明使用循环退火式的铜诱导晶化非晶硅薄膜的方法来制备多晶硅薄膜。

为了达成上述目的，本发明是采用以下技术方案来实现。

(a)      衬底玻璃的清洗：首先使用曲拉通溶剂清洗玻璃衬底的表面污垢，然后将该衬底分别放在丙酮、无水乙醇和去离子水中超声波清洗15分钟，并用氮气吹干；

(b)     非晶硅薄膜的形成：使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法在上述衬底上沉积一层非晶硅(a-Si:H)薄膜，薄膜厚度约100-500nm，沉积时衬底的温度为250℃，使用的气源为99.999%的硅烷（SiH₄）和氢气(H₂)，气体辉光放电的气压范围为50-200Pa，射频电压为13.56MHz；

(c)      二氧化硅薄膜的形成：将生长好的非晶硅薄膜样品放在氧气室中在20-200℃下氧化0.5小时-72小时，从而形成一层约1-20nm的二氧化硅薄膜；

(d)     淀积金属层：取出样品后用真空蒸发法或者磁控溅射法在样品表面淀积一层厚度约5-100nm的金属铜薄膜，得到衬底/a-Si:H/SiO₂/Cu结构，其中蒸发或者溅射原料是99.999%的铜粉或者铜靶；

(e)      然后将样品置于以氮气为保护气、真空度为1-10Pa的恒温退火炉中，在250℃-450℃条件下恒温退火处理1-2小时，并将样品在退火炉中自然冷却； 

(f)       将退火后的样品置于腐蚀液（磷酸：醋酸：硝酸：氢氟酸：去离子水=70%：5%：5%：5%：15%）中腐蚀去掉表面残留的铜后，用氮气吹干，放入450-650℃的退火炉进行恒温2-6个小时；